CN102516992A - 一种检测Hg2+离子的荧光探针及其合成方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种检测Hg2+离子的荧光探针及其合成方法，该方法按如下步骤进行：(1)以二氯甲烷为溶剂，将原料比按照3-2-呋喃丙烯酸∶氯化亚砜＝1∶2～3的摩尔比混合均匀，回流温度下搅拌反应5小时，然后升温蒸出溶剂及未反应的氯化亚砜，得到中间产物1；(2)以二氯甲烷为溶剂，按照加入摩尔比为1.2～1.3∶1∶2～3的中间产物1，罗丹明乙二胺，三乙胺，反应，减压蒸馏除去溶剂，用硅胶柱层析得到荧光探针。本发明的荧光探针合成仅需两步，且后处理简单，原料易得，具有较高的检测灵敏度，适合微量检测，具有良好应用前景。

Description

一种检测Hg2+离子的荧光探针及其合成方法和用途
技术领域
本发明涉及一种荧光分子探针，尤其是涉及一种Hg2+离子荧光分子探针的制备方法以及该荧光分子探针在重金属离子识别和检测中的应用。
背景技术
众所周知，汞是一种严重危害人体健康的重金属，由于具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性，使其成为目前全球最引人关注的环境污染物之一。汞污染可以通过许多天然的途径和人类的社会活动而产生，由此引起很多人类的健康和环境问题。汞能够在海洋生物体内富集，水中的微生物可以通过食物链的循环将无机的汞离子转换为甲基汞，甲基汞容易进入人体，会对人体的中枢神经系统产生极大地损伤。汞离子会沉积在脑、肝和其他器官中，产生慢性中毒，损坏肾、脑、胃和肠道，甚至引起死亡。鉴于汞中毒会对整个社会产生极其恶劣的影响，汞被优先列在全球环境监控系统清单上，全世界都花费大量的人力、物力和财力在开发和研究新型的检测汞离子的方法。
荧光化学传感器的设计和研究已成为近年来研究的热点。荧光传感器的检测过程主要是通过器件接受体部分对外来物种(包括阳离子，阴离子及中性分子等)的选择性接纳，然后经不同的作用机制，产生信号，有关器件接纳物种过程中的信息变化。荧光化学传感器由于其选择性好、灵敏度高、响应时间快等优点，目前在汞离子的痕量检测中受到了人们的广泛关注。对于大多数汞离子的荧光化学传感器的设计，主要包括两个部分：一个是用来输出荧光信号的发光集团，另一个是接受体，通常含有氮或硫等配位原子，可以和汞离子发生强烈的作用，以达到检测汞离子的目的。罗丹明类化合物已作为荧光标记物在生物技术方面有广泛的应用，这类传感器分子的设计原理是：金属离子通过与受体的配位作用，诱导了螺环内酰胺开环结构的形成。根据这个过程实现对离子的识别，有这样的优点：传感分子对金属离子有识别作用时，不仅使吸收和荧光的强度有较大的增强，而且会使溶液出现由无色到有色的变化，这一过程可以方便的实现肉眼识别。
目前用来检测汞离子的化学传感器，大多数在实际应用中都存在一些问题，比如各种竞争的金属离子对测定的干扰，主体化合物在水中的溶解性较差，以及响应时间较长等，使其应用受到了一定的限制。
发明内容
本发明的目的之一在于克服现有技术在荧光探针的性能和结构上的不足之处，提供一种性能优良、适用于汞离子检测的以罗丹明为母体的检测水中汞离子的荧光探针。
本发明的目的之二是提供检测水中的汞离子的荧光探针的合成方法。
本发明的目的之三是提供检测水中汞离子的荧光探针的用途。
本发明的检测水中汞离子的荧光探针具有如下式的结构：
Figure BSA00000630256700021
式中的R1、R2、R3可以分别或者同时选自氢、1～5个碳原子烷基或3～8个碳原子环烷基中的一种或者为卤素。
本发明的检测水中汞离子的荧光探针的合成方法包括以下步骤：
(1)将7.25mmol呋喃丙烯酸或者取代呋喃丙烯酸溶于有机溶剂中，滴加2mL氯化亚砜，滴加完毕，加热回流反应4～5h，升温蒸出溶剂得产物。
(2)将5.8mmol罗丹明乙二胺溶于有机溶剂中，加入1.4mL三乙胺及少量的碳酸氢钠，待温度降至0℃时，滴加用15mL二氯甲烷溶解的上述步骤(1)中制备的产物，滴加完毕，继续反应2～4小时。
(3)减压蒸馏除去上述步骤(2)中所得混合液中的溶剂，得到固体。
(4)用硅胶柱层析分离步骤(3)所得的固体，淋洗液为石油醚/乙酸乙酯。
本发明的检测水中的汞离子的荧光探针可用于污水中汞离子的检测，本发明的荧光探针在使用时没有特殊的限制，可以将其溶解在乙醇、二甲基亚砜、甲醇等水溶性有机溶剂中，然后加入含汞的适当缓冲液中进行测试。
水中汞离子检测的一般方法是将含汞的污水加入到含有荧光探针分子的缓冲溶液中反应一段时间，然后测试该体系的荧光强度或者紫外吸收。
本发明提供了一种与罗丹明为母体、用于检测细胞内汞离子的荧光探针。该荧光探针合成方法简单、原料价廉易得、成本低廉、收率较高，对汞离子具有较好的选择性，灵敏度极高，使得极易推广实际应用。
附图说明
图1是本发明的荧光探针分子(I)对汞离子具有良好的选择性。探针分子(I)的浓度为1×10-5mol/L，各种金属离子的浓度是其10倍当量的荧光发射光谱。横坐标是波长，纵坐标是荧光强度。
图2是本发明的荧光探针分子(I)的荧光强度和汞离子浓度的关系。(A)横坐标是波长(nm)，纵坐标是荧光强度；(B)横坐标是汞离子浓度(mol/L)，纵坐标是584nm处的荧光强度。荧光探针分子的浓度是1×10-5mol/L，汞离子的浓度变化从小到大依次为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0倍当量。
图3是本发明的荧光探针分子(I)荧光强度与pH变化关系。横坐标为pH，纵坐标为584nm处的荧光强度。探针分子(I)的浓度为1×10-5mol/L。
图4是各种金属离子对于本发明的荧光探针分子(I)-汞离子络合物的干扰。荧光探针分子(I)的浓度为1×10-5mol/L，横坐标为10倍当量的各种金属离子，纵坐标是584nm处的荧光强度。
图5是本发明的荧光探针分子(I)的Job曲线。探针分子(I)和汞离子浓度之和为1×10-5mol/L。横坐标是探针分子浓度与探针分子(I)和汞离子浓度之和的比值；纵坐标是584nm处荧光强度。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：
(1)罗丹明乙二胺的制备
将罗丹明B(10.00g，20mmol)置于250mL三口瓶中，加入乙醇(60.00)mL，混合均匀，滴加乙二胺(10.00mL)，滴加完毕回流反应15小时，直到褪去红色，减压蒸馏出去溶剂，所得固体用40mL二氯甲烷萃取2次，合并有机相，用水洗2次，用无水硫酸钠干燥，过滤，收集滤液，减压蒸馏除去溶剂得固体，真空干燥得浅红色固体。
(2)3-2-呋喃丙烯酸的制备
在250mL干燥的圆底烧瓶中依次加入丙二酸(4.16g，0.04mol)，糠醛(3.84g，0.04mol)和干燥的吡啶(1.92mL，0.024mol)，混合物在95℃下回流反应2h，待混合物冷却后，加入水(40mL)稀释，再加入适量的浓氨水使产物溶解，过滤，滤液用过量的稀盐酸酸化(V/V＝1∶1)，冰浴冷却，过滤，干燥，所得粗产品用乙醇和水重结晶得到纯品。
(3)呋喃丙烯酰氯的合成
在50mL单口瓶中加入以上制得的呋喃丙烯酸(1.00g，7.25mmol)，加入二氯甲烷(20mL)，混合均匀，滴加氯化亚砜(2.00mL)，滴加完毕，加热回流反应5h，升温蒸出溶剂及未反应的氯化亚砜得呋喃丙烯酰氯粗品，将其直接用于下步反应。
(4)探针(I)的合成
将罗丹明乙二胺(2.80g，5.80mmol)置于100mL三口瓶中，加入二氯甲烷(20mL)将其溶解，加入三乙胺(1.40mL)及少量的碳酸氢钠，混合均匀，待温度降至0℃时，开始滴加用二氯甲烷(15mL)溶解的呋喃丙烯酰氯，整个滴加过程中维持温度在0℃左右，约半小时加完，滴加完毕，低温继续反应2h，反应完毕，用去离子水(40mL)洗涤两次，收集有机相，减压蒸出溶剂，湿法上样经柱色谱(石油醚/乙酸乙酯＝1∶1，V/V)得产物。
实施例2：
(1)3-氯呋喃丙烯酸的制备
在250mL干燥的圆底烧瓶中依次加入丙二酸(4.16g，0.04mol)，3-氯糠醛(5.20g，0.04mol)和干燥的吡啶(1.92mL，0.024mol)，混合物在95℃下回流反应2h，待混合物冷却后，加入水(40mL)稀释，再加入适量的浓氨水使产物溶解，过滤，滤液用过量的稀盐酸酸化(V/V＝1∶1)，冰浴冷却，过滤，干燥，所得粗产品用乙醇和水重结晶得到3-氯呋喃丙烯酸纯品。
(2)3-氯呋喃丙烯酰氯的合成
在50mL单口瓶中加入以上制得的3-氯呋喃丙烯酸(1.25g，7.25mmol)，加入二氯甲烷(20mL)，混合均匀，滴加氯化亚砜(2.00mL)，滴加完毕，加热回流反应4.5h，升温蒸出溶剂及未反应的氯化亚砜得3-氯呋喃丙烯酰氯粗品，将其直接用于下步反应。
(3)探针(II)的合成
将罗丹明乙二胺(2.80g，5.80mmol)置于100mL三口瓶中，加入二氯甲烷(20mL)将其溶解，加入三乙胺(1.40mL)及少量的碳酸氢钠，混合均匀，待温度降至0℃时，开始滴加用二氯甲烷(15mL)溶解的3-氯呋喃丙烯酰氯，整个滴加过程中维持温度在0℃左右，约20min加完，滴加完毕，常温继续反应2h，反应完毕，减压蒸出溶剂，湿法上样经柱色谱(石油醚/乙酸乙酯＝5∶7，V/V)得产物。
实施例3：
(1)4-甲基呋喃丙烯酸的制备
在250mL干燥的圆底烧瓶中依次加入丙二酸(4.16g，0.04mol)，4-甲基糠醛(4.40g，0.04mol)和干燥的吡啶(1.92mL，0.024mol)，混合物回流反应3h，待混合物冷却后，加入水(40mL)稀释，再加入适量的浓氨水使产物溶解，过滤，滤液用过量的稀盐酸酸化(V/V＝1∶1)，冰浴冷却，过滤，干燥，所得粗产品用乙醇和水重结晶得到4-甲基呋喃丙烯酸纯品。
(2)4-甲基呋喃丙烯酰氯的合成
在50mL单口瓶中加入以上制得的4-甲基呋喃丙烯酸(1.25g，7.25mmol)，加入二氯甲烷(20mL)，混合均匀，滴加氯化亚砜(2.00mL)，滴加完毕，加热回流反应4.5h，升温蒸出溶剂及未反应的氯化亚砜得4-甲基呋喃丙烯酰氯粗品，将其直接用于下步反应。
(3)探针(III)的合成
将罗丹明乙二胺(2.80g，5.80mmol)置于100mL三口瓶中，加入二氯甲烷(20mL)将其溶解，加入三乙胺(1.40mL)及少量的碳酸氢钠，混合均匀，待温度降至0℃时，开始滴加用二氯甲烷(15mL)溶解的3-氯呋喃丙烯酰氯，整个滴加过程中维持温度在0℃左右，约20min加完，滴加完毕，常温继续反应2h，反应完毕，减压蒸出溶剂，湿法上样经柱色谱(石油醚/乙酸乙酯＝3∶5，V/V)得产物。

Claims (4)

1.一种结构如下式所示的检测Hg2+的荧光探针的结构如下
Figure FSA00000630256600011
式中的R1、R2、R3可以分别或者同时选自氢、1～5个碳原子烷基或3～8个碳原子环烷基中的一种或者为卤素。
2.根据权利要求1的检测Hg2+荧光探针的合成方法，其特征在于按照罗丹明乙二胺∶呋喃酰氯或取代呋喃酰氯∶缚酸剂＝1∶1.2～1.3∶1的摩尔比混合均匀，低温下反应2小时，粗品经硅胶柱层析分离得纯品。
3.根据权利要求2所述的合成方法，其特征在于所述的缚酸剂选自三乙胺和碳酸氢钠。
4.根据权利要求1所述的荧光探针的用途，其特征在于将所述的荧光探针用于环境、生物和医学领域汞离子的检测。
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